طوفان خورشیدی اتفاق‌ای است که درنتیجه فعالیت‌های شدید خورشیدی، به‌اختصاصی خروج تاج خورشیدی، رخ می‌دهد. این اتفاق مقادیر بسیاری از ذرات باردار پرانرژی و تشعشعات را انتشار می‌کند. طوفان خورشیدی تأثیراتی بر زمین و ساکنان آن دارد که در ادامه به آن می‌پردازیم. با دیجیاتو همراه باشید.

طوفان خورشیدی چیست؟

طی فعالیت‌های مغناطیسی شدید خورشید، جریانی از ذرات باردار پرانرژی و تشعشعات داخل فضا می‌شود. بخشی از این جریان که به زمین می‌رسد، جهت تشکیل طوفان خورشیدی می‌شود. این اتفاق زیاد تر بعد از فوران‌های خورشیدی همانند گسیل شراره‌های خورشیدی یا خروج جرم از تاج خورشیدی (CME) رخ می‌دهد. هنگامی زمین در مسیر انتشار کردن این فوران‌ها قرار می‌گیرد، اصطلاحاً با طوفان ژئومغناطیسی مواجه می‌شود. در پی این طوفان، اتمسفر زمین با ذرات باردار پرانرژی و تشعشعات بمباران می‌شود که اثرات نامطلوبی بر تجهیزات فضایی همانند ماهواره‌ها دارد.

طوفان خورشیدی چطور رخ می‌دهد؟

برای جواب به این سوال ابتدا باید نگاهی بیندازیم بر فعالیت‌ مغناطیسی خورشید.

مطابق مطالعات دانشمندان، قطبش میدان مغناطیسی خورشید هر ۱۱ سال یک‌ بار تحول می‌کند؛ به‌عبارت ساده‌تر، قطب شمال مغناطیسی خورشید هر ۱۱ سال یک‌ بار قطب جنوب مغناطیسی می‌شود و بالعکس. به این دوره فعالیت مغناطیسی خورشید «چرخه خورشیدی» می‌گویند و ۲۲ سال طول می‌کشد تا یک چرخه کامل شود. تحول میدان مغناطیسی می‌تواند طی هر چرخه علتایجاد فعالیت‌های مغناطیسی خورشیدی، همانند لکه‌های خورشیدی، باد خورشیدی، شراره‌های خورشیدی و فوران‌ها شود.

لکه‌های خورشیدی

لکه‌های خورشیدی در واقع نقاط سرد و تاریک روی سطح خورشیدند که به‌علت اختلال در میدان مغناطیسی این ستاره تشکیل خواهد شد. دمای سطحی خورشید در محل لکه‌ها کمتر از دیگر نواحی است؛ به همین علت لکه‌ها تیره‌ به‌ نظر می‌رسند. این لکه‌ها قطرهای متغیری (از ۳۰۰۰ کیلومتر تا ۱۰ برابر این رقم) دارند. بیشتر از ۵۰ درصد این لکه‌ها کمتر از 4 روز عمر می‌کنند اما بعضی اوقات لکه‌هایی مشاهده خواهد شد که بیشتر از ۱۰۰ روز دوام می‌آورند. هر لکه مرکز میدانی مغناطیسی است و شدت این میدان با اندازه لکه تحول می‌کند.

باد خورشیدی

باد خورشیدی جریانی مدام از ذرات باردار پرانرژی، یون‌های سنگین و تشعشعات (گاما، ایکس، فرابنفش و…) است که مدام و در همه جهات به فضا ساطع می‌شود. باد خورشیدی با شدت متوسط 400 کیلومتر بر ثانیه انتشار می‌شود. برهم‌کنش این پلاسما با اتمسفر زمین جهت تشکیل اتفاق معروف شفق‌های قطبی می‌شود.

خروج جرم از تاج خورشیدی

یک فوران پُرجرم از باد خورشیدی که طبق معمولً در دوره فعال چرخه مغناطیسی خورشید اتفاق می‌افتد، «CME» یا «خروج جرم از تاج خورشیدی» نام دارد که طی آن، بخشی از پلاسمای تاج خورشید به بیرون پرتاب می‌شود. این اتفاق در ناحیه لکه‌ها رخ می‌دهد. همان گونه که حرف های شد، CME همراه تشکیل طوفان‌های مغناطیسی است.

شراره‌های خورشیدی

این اتفاق در واقع انتشار کردن نسبتاً شدید و موضعی تابش الکترومغناطیسی در جو خورشید است که تبدیل نوعی انفجار انرژی می‌شود. شراره‌ها در تاثییر درهم‌تنیدگی میدان‌های مغناطیسی خورشید در نزدیکی لکه‌ها تشکیل خواهد شد. در نتیجه این اتفاق تشعشعات الکترومغناطیسی در سراسر طیف الکترومغناطیسی –از امواج رادیویی تا گاما– ساطع می‌شود. شراره‌ها زیاد تر با CME و دیگر اتفاق‌های فوران خورشیدی همراه می باشند.

جریان باد خورشیدی با شدت بالا

جریان باد خورشیدی با شدت بالا یا HSS  نیز یکی از اتفاق‌هایی است که شرایط را برای وقوع طوفان‌های ژئومغناطیسی تشکیل می‌کند. HSSها با شدت بالاتر از شدت باد خورشیدی (نزدیک به ۵۰ تا ۸۰۰ کیلومتر بر ثانیه) انتشار خواهد شد و چگالی کمتری نسبت به باد خورشیدی دارند.

بعد به‌طور خلاصه، می‌توان او گفت طوفان‌های خورشیدی طبق معمولً در نتیجه بادهای خورشیدی شدید، انفجارها و فوران‌های خورشیدی رخ خواهند داد. هنگامی که ذرات باردار طوفان‌ها به اتمسفر زمین می‌رسند، جریان‌های الکتریکی را پدید می‌آورند. این جریان الکتریکی و نیز میدان‌های مغناطیسی حاصل از آن‌ها، به تعداد بسیاری از تجهیزات الکترونی و تجهیزاتی که سنجش صحیح آن‌ها به میدان‌های مغناطیسی بستگی دارد، صدمه می‌رساند. این اختلال در اتمسفر زمین را «طوفان خورشیدی» یا «طوفان ژئومغناطیسی» می‌شناسیم.

طوفان‌های خورشیدی چه ویژگی‌هایی دارند؟

طبق معمولً شدت متوسط طوفان‌های خورشیدی ۳۰۰ تا ۳۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه و چگالی ذرات باردار آن ۱ تا ۱۰۰۰ ذره در هر سانتی‌متر مکعب متغیر است. در زمان‌ اوج فعالیت، این چگالی می‌تواند به مقادیر بالاتری نیز برسد. این ذرات باردار شامل پروتون‌ها (هسته‌های هیدروژن)، الکترون‌ها، ذرات آلفا (هسته هلیوم) و یون‌های سنگین از عناصری همانند کربن، نیتروژن، اکسیژن، آهن و… می باشند. علاوه‌بر ذرات، همراه هر طوفان خورشیدی مقدار بسیاری تشعشع (گاما، ایکس، فرابنفش) نیز ساطع می‌شود.

خطرات طوفان خورشیدی

طوفان‌ها با افزایش تابش‌های یونیزه‌کننده در فضای نزدیک به زمین می‌­توانند علتابراز آشفتگی‌های الکتریکی و محاسباتی، ناهنجاری­‌های سخت­‌افزاری و تخریب سلول­‌های خورشیدی شوند. هنگامی که ذرات پرانرژی با ماهواره‌ها یا انسان‌ها در فضا برخورد می‌کنند، می‌توانند با نفوذ به جسمی که با آن برخورد می‌کنند، جهت صدمه به قطعات دی­‌الکتریک، نیمه­‌رساناها و مدارهای الکترونی، حتی صدمه به DNA انسان شوند. تخریب ساختار قطعات، ناکامی­‌های ناگهانی، دشارژهای الکترواستاتیکی، افزایش دمای تجهیزات، افت عمر سودمند تجهیزات و تشکیل ناهنجاری در کارکرد آن‌ها و تشکیل انواع نویز ازجمله این صدمه‌ها می باشند؛ به همین علت تجهیزات فضایی و لباس فضانوردان باید نسبت به تشعشعات و ذرات باردار مقاوم‌سازی شوند.

شبکه‌های برق نیز به‌شدت تحت‌تأثیر طوفان‌های خورشیدی قرار دارند؛ طوفان‌ها می‌توانند علتایجاد جریان‌های القایی ژئومغناطیسی در شبکه‌های برق شوند. این جریان‌ها می‌توانند به ترانسفورماتورها و دیگر تجهیزات الکتریکی صدمه برسانند و اختلالات و خاموشی‌های گسترده تشکیل کنند.

طوفان‌های خورشیدی این چنین می‌توانند در سیستم‌های ارتباطی هوایی و ناوبری ماهواره‌ای همانند GPS اختلال تشکیل کنند. با هر طوفان خورشیدی، تشعشعات و ذرات پرانرژی در برخورد با جو زمین، اتم‌ها و مولکول‌ها را یونیزه کرده و الکترون‌های آزاد به وجود می‌آورند. این الکترون‌ها لایه‌ای زیر یونوسفر می‌سازند که می‌تواند امواج رادیویی با فرکانس بالا را جذب و ربط رادیویی را دشوار یا غیرممکن کنند.

درکل، صدمه مخرب طوفان‌های خورشیدی بر تجهیزات، زیان‌های اقتصادی و اجتماعی تعداد بسیاری به‌جستوجو خواهد داشت. بااین‌حال، با منفعت گیری از عمل های پیشگیرانه و مدیریت ریسک، می‌توان تأثیرات منفی را افت داد و از تجهیزات و سیستم‌های حیاتی محافظت کرد. رصد و پیش‌بینی دقیق، طراحی مقاوم و منفعت گیری از سیستم‌های پشتیبان ازجمله راهکارهای مؤثر در این عرصه می باشند.

آیا می‌توان وقوع طوفان خورشیدی را پیش‌بینی کرد؟

پیش‌بینی طوفان‌ها کار ساده‌ای نیست؛ دانشمندان امروزه توانسته‌اند نسبتاً دقیق چرخه فعالیت‌های خورشیدی را محاسبه کنند اما این فعالیت‌ها زیاد پیچیده و پویا می باشند و مدل‌سازی دقیق آن‌ها دشوار است. این چنین امکان پذیر این فعالیت‌ها ناگهانی تحول کنند؛ دراین‌صورت پیش‌بینی دشوارتر می‌شود.

بااین‌حال با ابزارهای حاضر و مدل‌هایی که اخترشناسان نظر داده‌اند، می‌توان گمان وقوع و شدت طوفان‌های خورشیدی را تا حدی تخمین زد. دانشمندان در سازمان‌های فضایی کشورهای گوناگون، با منفعت گیری از داده‌هایی که از رصد مدام لکه‌های خورشیدی و گسترش مدل‌سازی طوفان‌ها و بازدید اثرات آن‌ها بر زمین حاصل می‌شود، هشدارهای زودهنگام برای وقوع طوفان‌های خورشیدی صادر می‌کنند. این هشدارها به اپراتورهای ماهواره‌ها، شبکه‌های برق و دیگر زیرساخت‌های حساس پشتیبانی می‌کند عمل های ملزوم برای افت تأثیرات منفی این طوفان‌ها به‌ کار گیرند.

ماهواره‌های سولار داینامیک (SDO)، سوهو (SOHO)، آیریس (IRIS)، پارکر، سولار اوربیت، هینود (Hinode) و استریو (STEREO) ازجمله کاوشگرهایی می باشند که برای بازدید خورشید و رصد فعالیت‌های خورشیدی در مدار قرار قرار دارند.

قدرتمندترین طوفان‌های خورشیدی در ۲ دهه تازه

۲ مردادماه ۱۴۰۳، فضاپیمای مدارگرد خورشیدی آژانس فضایی اروپا ناظر فوران شراره خورشیدی زیاد قدرتمندی از کلاس X14 از سمت دور خورشید می بود. X14 قدرتمندترین شراره خورشیدی طی نزدیک به ۲۰ سال قبل و نیرومندترین در چرخه خورشیدی جاری است. این شراره زیاد بزرگ‌تر از شراره خورشیدی قبلی می بود.

بر پایه گزارش فوربز، ازآن‌جایی‌که این فوران در سمت دیگر خورشید رقم خورد، تأثیر چندانی بر سیاره ما نداشت؛ بااین‌حال مدارگرد در موقعیتی قرار داشت که می‌توانست این فوران را ثبت کند. این فوران با خروج جرم از تاج خورشیدی نیز همراه می بود.

ابتدای سال جاری نیز طوفان خورشیدی بی‌سابقه‌ای اتفاق افتاد. اواخر اردیبهشت‌ ۱۴۰۳، اداره ملی اقیانوسی و جوی ایالات متحده آمریکا (NOAA) از رسیدن سریعتر از حد انتظار طوفان خورشیدی قوی و نادری به زمین خبر داد که قدرتمندترین طوفان ژئومغناطیسی در ۲ دهه تازه محسوب می‌شد. در آن زمان، «ایلان ماسک»، مدیرعامل اسپیس‌ایکس، خبرداد به‌علت این طوفان، سختی بسیاری به ماهواره‌های استارلینک آمده است و کارکرد اینترنت ماهواره‌ها دچار کم شدن شده است. در قبل (۲۰۲۲) نیز طوفان خورشیدی فرد دیگر ده‌ها ماهواره استارلینک را از بین برده می بود.

۲۲ بهمن‌ ۱۴۰۱ هم خورشید شراره بزرگی از کلاس ایکس انتشار کرد که بر تاثییر آن، طوفان خورشیدی نسبتاً قدرتمندی به‌ وجود آمد. این طوفان بخشی از ارتباطات رادیویی را در آمریکای جنوبی دچار اختلال کرد.

آیا گرمی بی‌سابقه هوا در سال‌های قبل، به فعالیت‌های تازه خورشید مربوط می‌شود؟

تأثیر فعالیت‌های خورشیدی بر دمای کلی زمین و تغییرات آب‌وهوایی زیاد پیچیده است؛ تغییرات در چرخه‌های خورشیدی می‌توانند روی جو زمین تأثیر بگذارند و در برخی موارد علتتغییرات موقتی در دما یا شرایط جوی شوند. اما گرم‌ شدن جهانی عمدتاً ناشی از فعالیت‌های انسانی، همانند انتشار کردن گازهای گلخانه‌ای و عوامل طبیعی دیگر همانند تحول در فعالیت آتشفشانی و چرخه‌های طبیعی آب‌وهواست. بازدید‌ها نشان داده‌اند طی یک قرن قبل، خورشید سهمی کمتر از ۱۵ درصد در افزایش دمای جهان داشته است.

بااین‌حال برخی مطالعات نشان داده‌اند پرتوها و ذرات باردار پرانرژی با برخورد به اتمسفر زمین می‌توانند تبدیل افت سطح ازن استراتوسفری شوند. این قضیه می‌تواند بر حرکت لایه‌های زیرین تأثیر بگذارد و جهت گرمایش محلی شود. این چنین جو زمین انرژی حاصل از طوفان‌های خورشیدی را جذب می‌کند، گرم می‌شود و به‌سمت بالا گسترش می‌یابد. این انبساط چگالی یکی از لایه‌های اتمسفر زمین به نام «گرماسپهر» را افت می‌دهد که به‌نوبه‌خود می‌تواند بر تغییرات دمایی زمین تأثیر بگذارد. علاوه‌براین، اوج چرخه خورشیدی و افزایش لکه‌‌ها با افزایش بارندگی در مناطقی از جهان و سختی فوق‌طبیعی سطح دریا در اواسط عرض جغرافیایی شمالی و جنوبی اقیانوس آرام مرتبط بوده است.

به حرف های دانشمندان، فوران‌های خورشیدی مختصر‌زمان بر رویدادهای آب‌وهوایی تأثیر نمی‌گذارد اما تغییرات طویل‌زمان امکان پذیر بر آب‌و‌هوای زمین تأثیر بگذارد. بااین‌حال حرف های می‌شود مقدار انرژی دریافتی زمین از خورشید پایدار است و فعالیت خورشیدی در یک چرخه تقریباً یازده‌ساله نزدیک به یک‌دهم درصد تحول می‌کند.

به‌طورکلی، اگرچه فعالیت‌های خورشیدی می‌توانند بر شرایط جوی تأثیر بگذارند، نقش آن‌ها در گرم‌ شدن جهانی به‌اندازه‌ای نیست که بتواند عامل مهم در نظر گرفته شود. تحقیقات بیشتری در این عرصه درحال انجام است تا ارتباطات دقیق‌تری بین این عوامل شناسایی شود.

جمع‌بندی

در این نوشته، طوفان‌های خورشیدی را بازدید و مرور کردیم که طوفان خورشیدی در نتیجه فعالیت‌های مغناطیسی خورشید رخ می‌دهد. این چنین با چند مورد از این فعالیت‌ها آشنا شدیم. در ادامه، نگاهی به تأثیر طوفان‌های خورشیدی بر تجهیزات ماهواره‌ای و زمین انداختیم. درنهایت به چند مورد از قدرتمندترین طوفان‌های خورشیدی در ۲ دهه تازه اشاره کردیم.

سؤالات متداول